Ces fibres optiques qui prennent le pouls de la planète

Andreas Fichtner retire la gaine protectrice d'un câble, exposant une âme de verre plus fine qu'un cheveu - une fibre fragile de 4 kilomètres de long qui est sur le point d'être fusionnée à une autre. Il s'agit d'une tâche minutieuse qui conviendrait mieux à un laboratoire, mais Fichtner et sa collègue Sara Klaasen l'effectuent au sommet d'une calotte glaciaire venteuse et glaciale. 

Après une journée de travail, ils ont épissé trois segments, créant ainsi un câble de 12,5 kilomètres de long. Il restera enfoui dans la neige et surveillera l'activité du Grímsvötn, un dangereux volcan islandais recouvert d'un glacier. 

Plus tard, assise dans une cabane sur la glace, l'équipe de Fichtner observe les murmures sismiques du volcan qui se trouve en dessous d'elle, qui défilent sur un écran d'ordinateur : des tremblements de terre trop petits pour être ressentis, mais facilement captés par la fibre optique. "Nous pouvions les voir juste sous nos pieds", dit-il. "Vous êtes assis là et vous sentez les battements de cœur du volcan".

Fichtner, géophysicien à l'École polytechnique fédérale de Zurich, fait partie d'un groupe de chercheurs qui utilisent la fibre optique pour prendre le pouls de notre planète. La plupart de ces travaux sont réalisés dans des endroits reculés, du sommet des volcans au fond des mers, où la surveillance traditionnelle est trop coûteuse ou difficile. Au cours des cinq dernières années, la fibre optique a commencé à faire la lumière sur les grondements sismiques, les courants océaniques et même les comportements des animaux.

La calotte glaciaire de Grímsvötn, par exemple, repose sur un lac d'eau dégelé par la chaleur du volcan. Les données du nouveau câble révèlent que le champ de glace flottant sert de haut-parleur naturel, amplifiant les secousses provenant du dessous. Ces travaux suggèrent une nouvelle façon d'écouter l'activité des volcans recouverts de glace, et donc de capter les secousses qui pourraient annoncer des éruptions.

Comme un radar, mais avec de la lumière

La technique utilisée par l'équipe de Fichtner est appelée détection acoustique distribuée, ou DAS. "C'est presque comme un radar dans la fibre", explique le physicien Giuseppe Marra du National Physical Laboratory du Royaume-Uni à Teddington, en Angleterre. Alors que le radar utilise des ondes radio réfléchies pour localiser des objets, le DAS utilise la lumière réfléchie pour détecter des événements, qu'il s'agisse d'une activité sismique ou d'un trafic en mouvement, et pour déterminer où ils se sont produits.

Le système fonctionne de la manière suivante : Une source laser située à une extrémité de la fibre émet de courtes impulsions de lumière. Lorsqu'une impulsion se déplace le long de la fibre, la plus grande partie de sa lumière continue d'avancer. Mais une fraction des photons de la lumière se heurte à des défauts intrinsèques de la fibre - des points de densité anormale. Ces photons se dispersent, certains d'entre eux retournant à la source, où un détecteur analyse la lumière réfléchie pour trouver des indices sur ce qui s'est passé le long de la fibre.

Une fibre optique pour DAS s'étend généralement sur plusieurs à plusieurs dizaines de kilomètres et se déplace ou se plie en réponse aux perturbations de l'environnement. "Il se tortille au fur et à mesure que les voitures passent, que les tremblements de terre se produisent, que les plaques tectoniques se déplacent", explique le géologue Nate Lindsey, co-auteur d'un article de 2021 sur la fibre optique pour la sismologie dans l'Annual Review of Earth and Planetary Sciences. Ces ondulations modifient le signal lumineux réfléchi et permettent aux chercheurs de démêler des informations telles que la façon dont un tremblement de terre a plié un câble à un certain point.

Un câble optique capte les vibrations, par exemple, des secousses sismiques sur toute sa longueur. En revanche, un capteur sismique typique, ou sismomètre, relaie les informations à partir d'un seul endroit. Et les sismomètres peuvent être coûteux à déployer et difficiles à entretenir, explique Lindsey, qui travaille dans une entreprise appelée FiberSense qui utilise des réseaux de fibre optique pour des applications en milieu urbain.

Que ce soit sous une ville ou au sommet d'un glacier éloigné, un câble optique se tortille lorsqu'il est dérangé, par exemple par le mouvement de la circulation ou des ondes sismiques. La détection acoustique distribuée, ou DAS, capture ces petits mouvements. Des impulsions lumineuses laser sont envoyées de l'interrogateur dans la fibre. Au cours de leur voyage, certains photons heurtent des défauts dans la fibre, ce qui les disperse, et une partie de cette lumière diffusée revient à la source. L'analyse de cette « impulsion rétrodiffusée » et sa comparaison avec la lumière émise à l'origine permettent aux chercheurs de détecter des événements environnementaux.

DAS peut fournir une résolution d'environ 1 mètre, transformant une fibre de 10 kilomètres en quelque chose comme 10 000 capteurs, explique Lindsey. Les chercheurs peuvent parfois se greffer sur des câbles de télécommunications existants ou déclassés. En 2018, par exemple, un groupe comprenant Lindsey, qui était alors à l'UC Berkeley et au Lawrence Berkeley National Laboratory, a transformé un câble de 20 kilomètres exploité par le Monterey Bay Aquarium Research Institute – normalement utilisé pour filmer les coraux, les vers et les baleines – en un Capteur DAS alors que le système était hors ligne pour maintenance.

"La possibilité de simplement passer sous le fond marin sur des dizaines de kilomètres - il est remarquable que vous puissiez le faire", déclare Lindsey. "Historiquement, le déploiement d'un capteur sur le fond marin peut coûter 10 millions de dollars."

Au cours de leur mesure de quatre jours, l'équipe a attrapé un tremblement de terre de magnitude 3,4 secouant le sol à environ 30 kilomètres à Gilroy, en Californie. Pour l'équipe de Lindsey, ce fut un coup de chance. Les scientifiques de la Terre peuvent utiliser les signaux sismiques des tremblements de terre pour avoir une idée de la structure du sol traversé par le séisme, et les signaux du câble à fibre optique ont permis à l'équipe d'identifier plusieurs failles sous-marines jusque-là inconnues. "Nous utilisons cette énergie pour éclairer essentiellement cette structure de la faille de San Andreas", explique Lindsey.

Écouter les villes et les cétacés

Le DAS a été lancé par l'industrie pétrolière et gazière pour surveiller les puits et détecter le gaz dans les trous de forage, mais les chercheurs ont trouvé une variété d'autres utilisations pour la technique. En plus des tremblements de terre, il a été exploité pour surveiller le trafic et le bruit de la construction dans les villes. Dans les métropoles densément peuplées présentant des risques sismiques importants, comme Istanbul, le DAS pourrait aider à cartographier les sédiments et les roches du sous-sol pour révéler quelles zones seraient les plus dangereuses lors d'un grand tremblement de terre, explique Fichtner. Une étude récente a même rapporté avoir écouté des chants de baleines à l'aide d'un câble optique sous-marin près de la Norvège.

L'équipe de Fichtner a enterré son câble à fibre optique sur Grímsvötn. Dans cette vidéo, ils creusent les premières centaines de mètres avec une tronçonneuse car cette partie du bord de la caldera est trop raide pour leur véhicule de dameuse.

CRÉDIT : ANDREAS FICHTNER

Mais DAS est livré avec certaines limitations. Il est difficile d'obtenir de bonnes données à partir de fibres de plus de 100 kilomètres. Les mêmes défauts dans les câbles qui diffusent la lumière - produisant la lumière réfléchie qui est mesurée - peuvent épuiser le signal de la source. Avec suffisamment de distance parcourue, l'impulsion d'origine serait complètement perdue.

Mais une méthode plus récente et connexe peut fournir une réponse – et peut-être permettre aux chercheurs d'espionner un fond marin pour la plupart non surveillé, en utilisant des câbles existants qui transportent les données de milliards d'e-mails et de streaming.

En 2016, l'équipe de Marra a cherché un moyen de comparer le chronométrage d'horloges atomiques ultraprécises à des endroits éloignés en Europe. Les communications par satellite étant trop lentes pour ce travail, les chercheurs se sont plutôt tournés vers des câbles optiques enterrés. Au début, cela n'a pas fonctionné : les perturbations environnementales ont introduit trop de bruit dans les messages que l'équipe a envoyés le long des câbles. Mais les scientifiques ont senti une opportunité. "Ce bruit dont nous voulons nous débarrasser contient en fait des informations très intéressantes", déclare Marra.

En utilisant des méthodes de pointe pour mesurer la fréquence des ondes lumineuses rebondissant le long du câble à fibre optique, Marra et ses collègues ont examiné le bruit et ont découvert que, comme le DAS, leur technique détectait des événements tels que des tremblements de terre grâce à des changements dans les fréquences lumineuses.

Au lieu d'impulsions, cependant, ils utilisent un faisceau continu de lumière laser. Et contrairement au DAS, la lumière laser va et vient en boucle; puis les chercheurs comparent la lumière qui revient avec ce qu'ils ont émis. Lorsqu'il n'y a pas de perturbations dans le câble, ces deux signaux sont identiques. Mais si la chaleur ou les vibrations de l'environnement perturbent le câble, la fréquence de la lumière se décale.

Avec sa source lumineuse de qualité recherche et la mesure d'une grande quantité de lumière initialement émise - par opposition à ce qui est réfléchi - cette approche fonctionne sur de plus longues distances que le DAS. En 2018, l'équipe de Marra a démontré qu'elle pouvait détecter des tremblements de terre avec des câbles à fibres optiques sous-marins et souterrains jusqu'à 535 kilomètres de long, dépassant de loin la limite du DAS d'environ 100 kilomètres.

Cela offre un moyen de surveiller les systèmes océaniques profonds et terrestres qui sont généralement difficiles à atteindre et rarement suivis à l'aide de capteurs traditionnels. Un câble passant près de l'épicentre d'un tremblement de terre en mer pourrait améliorer les mesures sismiques terrestres, offrant peut-être quelques minutes de plus aux gens pour se préparer à un tsunami et prendre des décisions, dit Marra. Et la capacité de détecter les changements de pression du fond marin peut également ouvrir la porte à la détection directe des tsunamis.

Fin 2021, l'équipe de Marra a réussi à détecter la sismicité à travers l'Atlantique sur un câble optique de 5 860 kilomètres passant sur le fond marin entre Halifax au Canada et Southport en Angleterre. Et ils l'ont fait avec une résolution beaucoup plus grande qu'auparavant, car alors que les mesures précédentes reposaient sur des signaux accumulés sur toute la longueur du câble sous-marin, ce travail a analysé les changements de lumière sur des distances d'environ 90 kilomètres entre les répéteurs d'amplification de signal.

Les fluctuations d'intensité du signal capté sur le câble transatlantique semblent être des courants de marée. "Ce sont essentiellement le câble qui est gratté comme une corde de guitare lorsque les courants montent et descendent", explique Marra. Bien qu'il soit facile d'observer les courants à la surface, les observations des fonds marins peuvent améliorer la compréhension de la circulation océanique et de son rôle dans le climat mondial, ajoute-t-il.

Jusqu'à présent, l'équipe de Marra est la seule à utiliser cette méthode. Ils travaillent à faciliter le déploiement et à fournir des sources lumineuses plus accessibles.

Les chercheurs continuent de pousser les techniques de détection basées sur les fibres optiques vers de nouvelles frontières. Plus tôt cette année, Fichtner et un collègue se sont rendus au Groenland, où le projet East Greenland Ice-Core est en train de forer un trou de forage profond dans la calotte glaciaire pour retirer une carotte de glace. L'équipe de Fichtner a ensuite abaissé à la main un câble à fibre optique de 1 500 mètres – et a capté une cascade de tremblements de glace, des grondements résultant du frottement du substratum rocheux et de la calotte glaciaire.

Les tremblements de glace peuvent déformer les calottes glaciaires et contribuer à leur écoulement vers la mer. Mais les chercheurs n'avaient jusqu'à présent aucun moyen d'étudier comment ils se produisent : ils sont invisibles à la surface. Peut-être que la fibre optique mettra enfin en lumière ses processus cachés.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.